大气和海洋中广泛存在亚中尺度（锋面、涡丝和涡旋）过程，大气和海洋科学家对亚中尺度过程开展了多年的相关研究工作，大气科学家对亚中尺度过程的认知要远早于海洋科学家对亚中尺度的认知。近些年来，海洋科学家对亚中尺度过程的研究逐渐热了起来。

  在2008年，Capet及其合作者采用区域海洋环流模式（ROSM）发现当水平网格分辨率在75m的时候，亚中尺度结构和亚中尺度过程就能够很好地被模拟出来。其中亚中尺度过程为能量向耗散尺度传递的物理过程

    在2014年， Gula及其合作者进一步分析ROMS模拟的亚中尺结果的时候，发现经典的热成风原理无法很好地解释亚中尺度冷涡丝的相关锋生物理过程，进而他们提出了湍流热成风（TTW）原理，即为科氏力、斜压压力梯度和湍流垂向动量混合之间的平衡。并通过TTW原理很好地解释了亚中尺度冷涡丝的锋生。

   在2015年，McWillams及其合作者采用立面二维的ROMS模式和TTW原理探究了理想情况下（即为只增加粘性，不考虑海表强迫）冷涡丝锋生趋势，以及在海表增加风强迫情况下冷涡丝的锋生趋势。结果表明湍流垂向动量混合能够很好地诱导对称性的亚中尺度非地转次级环流，风强迫的存在破坏了亚中尺度非地转次级环流的空间对称性。

    在2016年Suzuki及其合作者采用理论分析和大涡模拟湍流模式，分析了波流相互作用所诱导的郎缪尔湍流对亚中尺度冷涡丝的影响，他们发现郎缪尔湍流破坏了亚中尺度冷涡丝沿着涡丝轴的地转流的空间对称性，然而他们发现垂下动量混合没有诱导出非地转的次级环流。

   在2017和2018年，McWilliams基于TTW原理，采用解析的方法探究了风浪场对亚中尺度锋面和涡丝锋生的影响，他发现波浪对亚中尺度锋生的影响要强于风对亚中尺度锋生的影响，并且短波长的波浪要比长波长的涌浪对亚中尺度峰生的影响更加强烈。

    在2018年，Sullivan和McWilliams基于TTW原理，采用湍流大涡模拟模式研究了热对流湍流与风平行和垂直于冷涡丝诱导的剪切湍流作用于冷涡丝的情况下，冷涡丝锋生和锋面捕获。他们研究发现热对流湍流能够诱导对称的亚中尺度流，风的作用破坏了亚中尺度流的空间对称性，尤其是非地转次级环流的空间对称性被破坏后，亚中尺度冷涡丝的锋生强度显著减弱，其中沿着涡丝轴方向的风对亚中尺度非地转次级环流的空间对称性的破坏作用要远强于垂直于涡丝中方向的风。他们发现锋面捕获是由于沿着涡丝轴方向、相反的地转流的剪切作用所引起。

  在2019年，Sullivan和McWilliams基于TTW，采用大涡模拟模式研究了郎缪尔湍流对亚中尺度冷涡丝锋生的影响，包括了风浪场平行于涡丝轴和风浪场垂直于涡丝轴。他们发现相对于垂直于涡丝的风浪场，沿着涡丝轴的风浪场极大地抑制了亚中尺度冷涡丝的锋生强度，其原因一方面是亚中尺度次级环流的空间对称性被扭曲的更严重，另一个更重要的原因是沿着涡丝轴的风浪场通过斯托克斯剪切强迫诱导了第二个向下的射流。

   现阶段基于TTW原理研究海洋中亚中尺度锋面和涡丝的文献相对不多，Sullivan 和 McWilliams (2018，2019)只模拟了冷涡丝锋生、捕获和部分衰减过程，亚中尺度锋面和涡丝锋生物理过程是否只包括锋生、捕获、衰减和破碎四个基本物理过程尚未可知。

   因此，我们采用美国国家大气研究中心Sullivan教授提供的湍流大涡模拟湍流模式，探究了在相对较大的科氏参量情况下（惯性震荡周期较短），风浪场方向垂直于涡丝轴，风浪场由小变大，亚中尺度冷涡丝的锋生物理过程。

  我们通过数值模拟发现，在惯性震荡的影响下，垂直于涡丝轴的次级环流的方向能够产生周期性的方向转换，即为次级环流的上部分水平支流向涡丝中心、下部分水平支流流出涡丝中心和涡丝中心为向下的急流转变为次级环流的上部分水平支流流出涡丝中心、下部分水平支流流向涡丝中心和涡丝中心为向上的急流；反之亦然。

  锋生和锋消的亚中尺度次级环流的方向如图1所示。其中锋生诱导了水平亚中尺度流场梯度的增强，锋消诱导了亚中尺度流场梯度的减弱。因此，锋生和锋消周期性地相互转化，会诱导亚中尺度流场梯度的周期性的增强和减弱。

图 1. 锋生和锋消转化示意图。

    我们采用湍流大涡模拟模式，很好地模拟出了惯性震荡诱导的亚中尺度次级环流方向的周期性转化（图 2 和图 3），以及涡丝冷核周期性的缩小和扩张的物理过程 （图 4）。这也许应该是对亚中尺度冷涡丝锋生物理过程的新发现或者新成果吧。

图 2. 近表层垂直于涡丝的流随着风浪增大变化。

图 3. 中间层的垂向速度随着风浪增大变化。

图 4. 涡丝冷核随着锋生和锋消周期性转换而周期性缩小和扩张。

    图 5 为亚中尺度次级环流方向的一个转化过程，用于说明数值模拟中亚中尺度锋生如何向锋消转换。

图 5. 亚中尺度次级环流方向转换过程。